Разработка технологии монтажа и демонтажа сухарей клапанов двигателя внутреннего сгорания в магнитостатическом поле рабочего органа рассухаривателя

г. Жигулевск, Самарская обл., ул. Марквашинская, 55а

Самарский государственный технический университет

г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

Предложен эффективный способ монтажа и демонтажа сухарей клапанов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его реализации, основанные на принципе улавливания и ориентирования расклиненных сухарей магнитным полем упорного кольца рассухаривателя и транспортировки их вместе с кольцом в клапанных каналах головки цилиндров. Обоснованы параметры рабочего органа рассухаривателя. Исследована трудоемкость монтажа и демонтажа сухарей клапанов предложенным способом.

Ключевые слова: способ, устройство, монтаж, демонтаж, клапан, сухари, двигатель, головка цилиндров, рассухариватель, упорное кольцо, магнитостатическое поле.

Значительная доля трудоемкости ремонта двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля приходится на разборку и сборку узлов и агрегатов. Так, например, трудоемкость разборки головки цилиндров вместе с распределительными валами и передаточными деталями газораспределительного механизма составляет до 28,3% от трудоемкости разборки двигателя, а трудоемкость сборки головки составляет 23,3% от общей трудоемкости сборки двигателя [1, 2], из которых порядка 30% времени приходится на демонтаж и монтаж клапанов. В связи с этим разработка новых эффективных технологий и устройств для монтажа и демонтажа клапанов с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности ремонта ДВС является актуальной задачей ремонтного производства.

Известна серия профессиональных переносных и стационарных устройств для демонтажа клапанов при ремонте головки цилиндров ДВС путем сжатия пружин клапанов и расклинивания сухарей с последующим их удалением из клапанных каналов. Серийные устройства содержат, как правило, опору, нажимное средство в виде струбцины, винта [3, 4] или нажимного рычага [5, 6, 7], упорный элемент в виде рамки с упорным кольцом, имеющим осевое отверстие, для воздействия на тарелку пружин клапана.

Наиболее существенными недостатками известных способов и серийных устройств являются низкая производительность из-за высокой трудоемкости монтажа и демонтажа резьбовых соединений при перестановках нажимного средства и упорного элемента соосно очередному демонтируемому клапану [3,4, 5], сжатия и разжатия пружин клапана с использованием непроизводительного винтового нажимного средства [3, 4], необходимости перестановки опоры для ремонта второго ряда клапанов, например шестнадцатиклапанного ДВС [6, 7]. Общим недостатком всех перечисленных устройств и способов является низкая эффективность ремонта головки цилиндров из-за высокой трудоемкости операций ручной установки при сборке и удаления при разборке механизма клапанов расклиненных сухарей и их транспортировки в узких и глубоких клапанных каналах. Последнее обстоятельство требует применения дополнительных подручных средств: отверток, пинцетов и др.

Поставленная техническая задача по снижению трудоемкости и повышению эффективности ремонта головок цилиндров ДВС в настоящей работе достигается усовершенствованием известного [6, 7] устройства для монтажа и демонтажа клапанов путем введения дополнительных конструктивных элементов: магнитов, установленных в упорном кольце с измененными геометрическими параметрами осевого отверстия, обеспечивающими возможность размещения в нем сухарей соответствующих размеров и формы, механизма толкателя и дополнительных отверстий на нажимном рычаге для расширения диапазона углов установки упорного элемента соосно демонтируемому клапану.

При введении указанных дополнительных конструктивных элементов в устройство технологический процесс монтажа и демонтажа клапанов ДВС приобретает новую структуру и последовательность операций и переходов.

При демонтаже клапана это автоматическое ориентирование и улавливание расклиненных сухарей магнитным полем в отверстии упорного кольца, совмещенные с процессом сжатия пружин клапана; транспортировка упорного кольца вместе с расклиненными сухарями из клапанного канала; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца с помощью толкателя при преодолении силы притяжения магнитов.

При монтаже клапана это установка сухарей на магниты в отверстии упорного кольца; транспортировка сухарей вместе с упорным кольцом в клапанный канал, совмещенная с процессом сжатия пружин клапана; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца в клин между стержнем и тарелкой пружин клапана с помощью толкателя с преодолением силы притяжения магнитов; автоматическое заклинивание сухарей, совмещенное с ослаблением нажима на толкатель и пружины клапана; транспортировка упорного кольца из клапанного канала.

Дальнейшая разработка теоретических основ применения новой технологии монтажа и демонтажа сухарей клапанов в магнитостатическом поле и обоснования параметров рабочего органа устройства для ее реализации включала решение следующих основных задач:

- разработка основ теории улавливания и ориентирования сухарей в магнитостатическом поле рабочего органа устройства как тел вращения с выраженной анизотропией цилиндрической формы;

- разработка теории базирования сухарей и реализации технологических баз в рабочем пространстве ориентирующего элемента (упорного кольца);

- обоснование размеров и формы рабочего пространства ориентирующего элемента на основе выбора метода достижения точности сборки и проведения размерного анализа;

- исследование кинематических параметров работы устройства при монтаже и демонтаже клапана;

- силовой анализ, анализ напряженного состояния упорного кольца, расчеты на прочность основных элементов устройства;

- опытно-конструкторская разработка и изготовление опытного образца устройства;

- экспериментальное исследование эффективности новой технологии монтажа-демонтажа сухарей клапанов ДВС в магнитостатическом поле и устройства для ее реализации.

В процессе исследования по описанному алгоритму расчетно-аналитическим путем оценена возможность ориентирования сухарей в магнитостатическом поле рабочего органа устройства. Наведенное в рабочем пространстве упорного кольца 1 (рис. 1) магнитостатическое поле позволяет довольно просто обеспечить ориентацию и фиксирование при сборке-разборке симметричных цилиндрических деталей из ферромагнитных материалов. Сухари же представляют собой асимметричный, рассеченный на две половины вдоль образующей, усеченный конус 2 с внутренним отверстием и установочными буртиками для фиксации в канавках стержня клапана 3 при заклинивании, что затрудняет их пространственную ориентацию по определенному основанию конуса. Ориентирующий момент , действующий на сухари в магнитостатическом поле, создается в результате взаимодействия индуцированного в деталях магнитного момента и внешнего магнитного поля с индукцией

клапан двигатель сгорание кольцо

(1)

Аналитический расчет ориентирующего момента (1) деталей с анизотропией геометрической формы - весьма сложная задача, поэтому для теоретического обоснования возможности ориентирования сухарей воспользуемся приближенным [8] решением задачи ориентирования эллипсоида 4

(2)

Для эллипсоида в однородном магнитном поле , где V - объем тела,  - намагниченность тела. В свою очередь, , где - магнитная восприимчивость материала тела; - внутренняя намагниченность тела; Naи Nв - составляющие размагничивающего фактора N по осям а и в эллипсоида, связанные с компонентами намагничивания тела зависимостями

?0- магнитная проницаемость окружающей среды.

Из анализа выражения (2) следует: для шара Na= Nв и MZ = 0 - не требуется ориентация; вытянутый эллипсоид 4, у которого Na<Nви MZ< 0, ориентируется вдоль оси поля; сплюснутый эллипсоид 5, у которогоNa>Nви MZ> 0, ориентируется перпендикулярно полю. При всех прочих равных условиях MZ = Мmax при ?=45? и MZ = Мmin=0 при ?=0?, 90?. То есть в магнитостатическом поле могут быть сориентированы тела произвольной формы: симметричные и асимметричные.

Симметричная деталь 4 (вытянутый эллипсоид, см. рис. 1) при ориентировании займет устойчивое среднее положение относительно вертикальной оси магнита 6, так как , где и - векторы пондеромоторных сил воздействиямагнитного поля на верхний и нижний концы детали 4. Цифра 4 указывает на принадлежность векторов сил детали 4. Среднее положение асимметричной детали (сухаря) 2 не совпадает с серединой магнита в результате ее асимметрии. Сухарь сместится вниз на величину ? под действием силы , где > - векторы пондеромоторных сил воздействия на верхний и нижний концы сухаря 2. Сориентировать сухари в данном случае возможно двумя методами: 1) приложением импульса силой - , при этом деталь, испытывая импульсное силовое воздействие, переместится по инерции на величину ?, что практически осуществить громоздко и затруднительно; 2) введением в ориентирующий орган дополнительных конструктивных ориентирующих элементов. Последний метод получил простое практическое воплощение путем введения в конструкцию упорного кольца упорного буртика, для базирования сухарей по торцу наибольшего диаметра конуса, и смещения оси магнитов вверх, к внутренней поверхности его торца (см. рис. 1).

Рис. 1. Схема улавливания и ориентирования сухарей в упорном кольце: 1 - упорное кольцо; 2 - сухарь; 3 - клапан; 4 - эллипсоид вытянутый; 5 - эллипсоид сжатый; 6 - магнит; h - высота сухарей

В соответствии с общепринятой классификацией [8] заготовок и деталей, имеющих форму тел вращения, асимметричные сухари клапанов ДВС относятся к III классу сложности автоматической ориентации в пространстве. Детали III класса требуют две ступени ориентации: первичную ориентацию - совмещение оси вращения (симметрии) с осью Z и вторичную - поворот детали в плоскости XOY или XOZ (см. рис. 1) для ориентации по концу с малым основанием конуса. Осуществлять автоматически вторичную ориентацию сухарей в упорном кольце нет необходимости по конструктивным соображениям, так как они хорошо направляются центральным отверстием по стержню клапана 3, а наружным конусом - по внутренней поверхности конического осевого отверстия упорного кольца 1. Минимальные зазоры в ориентирующем пространстве, обоснованные в процессе геометрического проектирования формы, размерного анализа и исследования кинематики работы узла, обеспечивают размещение, базирование и работу в нем сухарей ДВС соответствующих размеров и формы без перекосов и заеданий.

Экспериментальную оценку эффективности новой технологии и устройства проводили в процессе монтажа-демонтажа клапанов шестнадцатиклапанного двигателя ВАЗ-2112. Одновременно для сравнения испытывали традиционно применяемый [6, 7] профессиональный рассухариватель без магнитов в упорном кольце.

Оценивали методом хронометражных наблюдений [9] затраты времени на выполнение повторяющихся переходов и приемов по рассухариванию при демонтаже и засухариванию при монтаже клапанов ДВС новым и традиционным способами. В зависимости от целей наблюдений хронометраж осуществляли методом отдельных отсчетов и по текущему времени. Время определяли с помощью секундомера.

Таблица 1. Фрагмент карты наблюдений времени демонтажа сухарей клапана новым способом. Переход - рассухаривание клапана